圆形钢板均化库有限元分析(最新修改-2).doc

圆形钢板均化库有限元分析摘要:本文运用按规范手算和按有限元分析软件Sap200电算两种方法分别对某钢板均化库模型进行了计算分析，求得了钢板仓在不同工况下的结构应力与变形情况，以及筒仓结构在地震作用下的反应，并将有限元计算结果与手算结果进行比较。关键词:钢板均化库；有限元；Sap2000；地震作用中图分类号：TU31. 引言1.1筒仓结构的发展和计算 农业、水泥业的高速发展带来了水泥、粮食产量的不断增长，于是筒仓作为一种占地少、机械化程度高的结构类型，也在全国各地大量兴建起来。筒仓的仓壁一般可由钢筋混凝土或薄壁钢板构成，后者以其自重轻、建设快等优点而更为广泛使用。钢板筒仓的仓体一般为圆柱形，由不同厚度的钢板焊接而成，仓壁厚度沿高度均匀变化，仓顶为平顶盖。 均化库是用以将原料相互均匀混合的一种筒仓形式，大型均化库中一般设有减压锥，在减压锥底部有充气阀，通过气吹，让粉末均匀混合。1.2筒仓的结构特点钢板筒仓结构可分为仓上建筑、仓顶、仓壁、仓底、仓下支承结构及基础六个基本部分，如图： 1-仓上建筑；2-仓顶；3-仓壁；4-减压锥；5-筒壁1.3深浅仓荷载作用 粮食钢板筒仓按下列规定划分为深仓与浅仓：筒仓内储粮的计算高度与筒仓内径d 的比值大于或等于1.5 时为深仓；小于1.5 时为浅仓，筒仓的荷载情况根据深浅仓而不同。 深仓储粮静态压力如下： 浅仓储粮压力如下：其中： 筒仓仓壁的水平压力 筒仓仓壁的竖向摩擦力 筒仓仓底的切向压力 筒仓仓底的法向压力1.4本文的研究目的 目前对于钢板筒仓的设计计算主要有两种方法，一是依据粮食钢板筒仓设计规范进行手算；二是利用有限元软件进行电算。但是按规范手算方法进行内力计算过程较为复杂，尤其对于超高度、大直径的钢板仓很难进行强度、稳定性，抗震等方面的深入分析，故一般都需要利用有限元软件对筒仓结构的手算结果进行复核。 文分别利用以上两种方法对某一大直径圆形钢板均化库结构进行分析，求得结构在满仓和空仓两种工况下的内力、位移以及地震反应，分析比较有限元计算结果和按规范手算结果的异同，并提出计算方面的一些方法和问题，以供参考。2. 强度计算2.1 工程描述 本工程为一带减压锥的均化库，筒径为16m，仓筒总高为40m，筒壁高度为13.6m，仓壁高26.4m，其中减压锥高8.1m，下部为筒壁支撑，筒壁由混凝土剪力墙与框架柱构成，如右图所示。 2.2设计参数： 本工程储料的重力密度为13kN/，内摩擦角=，对钢板的摩擦系数=0.3，抗震设防烈度为7度，设计基本加速度值为0.1g，地震分组为第二组，类场地，阻尼比为0.05。2.3按规范手算方法2.3.1荷载计算：1深浅仓计算， 该仓为深仓。式中：库壁计算高度库体内径2、库壁壁厚： 沿仓壁高度方向将库分为4段，由下至上壁厚逐渐减小：标高仓壁壁厚35.600m40.000m10mm29.600m 35.600m12mm23.600m29.600m14mm13.600m23.600m16mm3、库壁受力计算其中：贮料作用于库壁单位面积上的水平压力标准值贮料作用于库壁单位面积上的水平压力设计值作用于单位面积水平面上的竖向压力标准值作用于库壁单位周长上的总竖向摩擦力标准值贮料作用于仓壁单位面积上的竖向摩擦力标准值贮料作用于仓壁单位面积上的竖向摩擦力设计值深仓贮料水平压力修正系数摩擦压力修正系数 贮料的重力密度（）筒仓水平净截面的水力半径（m）A过水断面积X湿周贮料与仓壁的摩擦系数侧压力系数自然对数的底贮料顶面或贮料椎体重心至所计算截面的距离（m）贮料的内摩擦角（）表2.1贮料作用于库壁上的力标高（m）水平压力设计值（kN/m2）竖向摩擦力标准值（kN/m2）35.640.035.27.732.635.670.012.529.632.6103.117.026.629.6128.221.123.626.6151.525.021.723.6165.327.319.021.7176.429.116.319.0170.728.213.616.3139.923.12.3.2强度验算根据粮食钢板筒仓设计规范规定，采用下述方法进行强度计算： 1 在储粮水平压力作用下，按轴心受拉构件进行计算：仓壁环向拉应力设计值式中：贮料作用于库壁单位面积上的水平压力设计值筒仓内径t仓壁厚度2 在竖向压力作用下，按轴心受压构件进行计算： 仓壁竖向压应力设计值式中：作用于仓壁单位周长的竖向压力的基本组合(设计值)。3 在水平压力及竖向压力共同作用下，按下式进行折算应力计算：本模型 、计算结果见下表：标高（m）板 厚（mm）水平应力（N/mm2）竖向应力（N/mm2）折算应力（N/mm2）35.640.01028.1 9.2 33.7 32.635.61246.7 10.8 52.9 29.632.61268.7 15.1 77.4 26.629.61473.2 17.6 83.4 23.626.61486.5 23.1 100.1 21.723.61682.7 23.7 96.7 19.021.71688.2 28.4 105.3 16.319.01685.4 32.1 105.1 13.616.31669.9 32.8 90.9 最大应力105.3 N/ mm2小于设计值215 N/ mm2，故强度验算满足规范要求。2.4利用有限元软件进行强度计算2.4.1 软件介绍SAP2000是美国Computers and Structures Inc（CSI）公司开发研制的通用结构分析与设计软件。这套软件不仅可以为一般性结构分析及操作设计项目，同时它也具备了桥梁分析及施工模拟的功能。SAP2000特别适合作为土建分析及设计的软件，因为它具有特别功能，例如地震分析，混凝土及钢结构的设计，中、美及其他国家的设计规范，不同国家的钢结构数据库等，这些功能使SAP2000成为在美国乃至全球广泛使用的结构软件。2.4.2 模型建立 本文采用有限元软件Sap2000进行建模分析，在整个筒仓模型主要由仓壁钢板，仓顶板，竖向加劲肋，混凝土减压锥，上下环梁，筒壁等构件组成。其中，仓壁、减压锥、筒壁主要由壳单元来模拟,其中对于宽厚比小于1 /10的面单元可以采用薄壳单元, 而对于宽厚比大于1 /10的面单元则需要采用厚壳单元，以考虑板的剪切变形；仓顶梁、环梁、壁柱和加劲肋可以采用框架单元来模拟。法向压力和切向摩擦力均通过程序加到仓壁上，并在筒体底部的节点上施加固定约束条件。建模时，用不同颜色表示不同厚度的钢板与加载区段。模型所用钢材为Q235，混凝土标号为C30。钢板的厚度自下而上为16至10mm.表1材料参数材料密度()弹性模()材料强度()泊松比Q2357.851032.061052150.3C302.51030.3105300.22.4.3 网格划分 划分网格是有限元分析中一个重要的步骤，网格划分太粗会造成分析结果出现很大的误差，网格划分太细会产生很多单元，造成计算量过大，甚至使电脑无法完成计算。对于包含接触问题的模型，不合适的网格划分会出现无法收敛的情况。对于筒仓环梁的划分要求保证均匀, 重点关注面单元和线单元的连接, 尽量保证两者共节点, 这样节点数量大大减少, 同时也减少了一些不规则单元的产生,提高计算准确度。对于筒仓的有限元模型的建立, 需要遵循即简洁又准确的原则才能使到结果数据趋于精确, 分析结论才有意义。钢板划分成4x4的单元，顶板由周边点划分。有限元模型如图： 划分网格如图所示： 2.4.4 强度与稳定性计算1应力计算结果1）水平应力 2）竖向应力水平应力最大值为87.1 N/mm2 ，出现在仓壁底部以上1/6左右位置；竖向应力最大值为28.3 N/mm2，出现在仓壁与支撑筒筒壁的交接处。水平应力是仓壁所受的主要荷载。2位移计算结果1） 水平位移 2）竖向位移最大径向位移为7.1mm，相对改变量为；最大轴向位移为4.1mm，相对改变量为，径向改变大于轴向，可见筒仓的变形不是主要控制因素，故可不进行刚度校核。2.5强度计算结果比较计算方式水平应力 （N/mm2）竖向应力（N/mm2）最大应力出现位置 手算88.2828.4仓壁底部以上1/6左右位置 Sap200087.128.3仓壁底部以上1/6左右位置可见按规范计算结果和有限元计算结果相差不大，按规范计算结果略小，有限元方法计算方法更简单。3地震计算3.1手算方法3.1.1反应谱法1 计算理论 根据仓筒模型动力试验：当仓筒随地基水平运动时，自料仓底部向上的占筒仓内储料总质量70%80%的散粒体随筒仓一起运动，而没有对筒仓筒壁的相对运动，其余20%30%的散粒体对筒仓仓壁有相对运动。针对筒仓这种动力反应形式，我国一些学者采用了集中质量弹性杆法的来对筒仓进行计算，这种方法就是将筒中散粒体简化为几个集中质量，每个集中质量之间用几根弹性杆连接，由此将空间的筒仓简化为平面问题进行分析。2模型简化 本文在对筒仓进行抗震计算时也利用以上理论，将仓筒储料80%的重量与相应位置结构的重量相加，简化为质点；将上部20%的散体与相应位置结构的重量相加，简化为质点，集中质量的位置按两部分散粒体的重心确定。贮料总重=60000kN, 75%贮料与相应位置结构总重=49360kN ；25%贮料与相应位置结构总重= 12340kN，通过理论力学方法求得重心高度。集中质量位置如图： 简化结构如图： 3计算自振频率按照结构力学中的柔度法对简化悬臂结构进行计算：a计算惯性矩计算时取平均厚度13mm：20.95b计算柔度系数c计算频率=3 ，=2.09s=28，=0.22s4计算主振型5水平地震计算a 按二类场地，设计地震分组第二组查得场地特征周期为=0.4s。b 按7度设防时的最大地震影响系数=2.09c 计算振型参与系数d 计算水平地震力剪力图如下：404kN；1106kN-459kN；2497kNe 计算剪力 =1246kN；=626kN3.1.2底部剪力法1规范计算方法：粮食钢板筒仓可按单仓计算地震作用，且：1） 可不考虑粮食对于仓壁的局部作用； 2） 落地式平底钢板筒仓可不考虑竖向地震作用。在计算筒仓的水平地震作用时，取储粮总重的90作为其重力荷载代表值，重心仍取储粮总重的重心。 落地式平底钢板筒仓的水平地震作用，可采用下述简化方法进行计算： 3）筒仓底部的水平地震作用标准值可按下式计算：4）沿筒仓高度第，质点分配的水平地震作用标准值可按下式计算式中：筒仓自重（包括仓上建筑）的重力荷载代表值； 储粮的重力荷载代表值； 集中于第i 质点的重力荷载代表值； 第i 质点的重心高度； 地震影响系数最大值，对地震烈度为7度时取0.08。 2计算结果=4456kN=3195kN；1261kN3.2有限元计算地震反应利用sap2000有限元程序进行地震计算有三种方法：底部剪力法，反应谱法，本文将分别通过以上两种方法计算地震剪力，并与手算结果比较。3.2.1底部剪力法在SAP2000中底部剪力法采用的最大地震影响系数为0.16，地震烈度为7度0.1g，阻尼比为0.05，场地特征周期为0.4s。应力： 应变： 最大应力为6.492 N/mm2，最大应变为4.166 mm 3.2.3反应谱法反应谱法是按照建筑抗震设计规范的要求，定义函数为Chinese2002 Spectrum，设计参数与底部剪力法相同。为了对照手算结果，使用截面分割方法计算结构剪力：TABLE: Section Cut Forces - AnalysisSectionCutOutputCaseCaseTypeStepTypeF1TextTextTextTextKNG1EQLinStatic1157.011G1FYPLinRespSpecMax2286.194G2EQLinStatic201.476G2FYPLinRespSpecMax197.731（EQ-底部剪力法；FYP-反应谱法）剪力图：底剪法（手算）： 反应谱法（手算）： 底剪法（有限元）： 反应谱法（有限元）：3.3地震计算结果比较1、手算两种方法相比，剪力法结果偏大，对于这种大直径超高度的筒仓结构来说，使用底部剪力法虽偏于安全，但过于浪费材料，反应谱虽计算相对复杂，但结构更为准确。2、Sap2000计算结果中，底部剪力法求得上部剪力略大，下部剪力较小。3、Sap2000计算结果与手算结果相比，上部剪力较小。4风荷载计算由于结构在满仓时，风荷载对筒仓的影响不大，故本文只对空仓情况下的筒仓进行风荷载验算。应变 应力空仓情况下，最大应变为3.56mm，出现在仓壁中部，应力最大值为4.7，出现在仓壁中部及洞口处，远小于设计值215。结构满足稳定性要求。可见风荷载对筒仓的影响不大，并非控制因素。5结论通过对按规范手算结果与有限元分析结果的比较，得出以下结论：(1)大直径筒仓的分析如用手算方法，将会比较复杂和繁琐，而有限元方法的使用，可以大大简化设计过程，还可以准确找出结构薄弱部位。(2)筒仓的仓壁下部相对高度1/6左右范围内的应力和变形相对较大，因此，在进行筒仓设计时，建议加强此部分的强度和刚度。(3)综合手算与有限元的地震计算结果来看，对于这种大直径超高度的筒仓结构，底部剪力法结果偏大，应通过反应谱法进行计算较为合理。(4)总的来说，储料荷载为结构的主要控制荷载，地震荷载和风荷载对结构的影响较小。参考文献1 陈辉圆形水泥钢筒仓有限元分析及其在工程中的应用D武汉：武汉理工大学，20062 陈豪大直径预应力混凝土筒仓仓壁的受力有限元分析D武汉：武汉理工大学，2007 3 王西院，梁醒培，孙 宁钢板仓结构强度有限元计算J河南：河南工业大学土木建筑学院，20084ANSYS,Inc.ANSYS Tutorials for Release 5.5 Forth Edition.SAS, IP Inc 19985 石亦平，周玉蓉ABAQUS有限元分析实例详